摘 要： 基于STM32采用等精度測頻方法設(shè)計了一種可用于光信號檢測的裝置,。該裝置由供電模塊、光轉(zhuǎn)頻模塊,、頻率測量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成,，其中，被測光信號在光轉(zhuǎn)頻模塊中通過硅光電二極管S1226-8BK轉(zhuǎn)成微弱電信號,，經(jīng)放大和濾波處理后輸入AD650轉(zhuǎn)換成頻率信號,。頻率測量模塊使用ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32F103RBT6作為處理器，結(jié)合一個D觸發(fā)器,，對光轉(zhuǎn)頻模塊輸出的頻率信號進(jìn)行等精度測頻，測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本裝置測得的頻率信號均與光功率之間成很好的線性關(guān)系，與示波器測量結(jié)果亦相吻合，證明了本裝置可對光信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測,。相對于常用的頻率測量法,，本裝置具有測量誤差小的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： STM32,；等精度測頻,；光信號
隨著環(huán)境保護(hù)呼聲的日益高漲，實(shí)時,、在線,、小型便攜和可用于現(xiàn)場監(jiān)測是未來環(huán)境監(jiān)測儀器的主流發(fā)展方向[1-2]。近年來,，越來越多的科技工作者致力于研究小型便攜的專用光度計[3-6],，其中，常選用硅光電二極管,、壓轉(zhuǎn)頻芯片將光信號轉(zhuǎn)為頻率信號,，因此，如何準(zhǔn)確測量頻率信號,，關(guān)系到這些便攜式儀器的準(zhǔn)確性,。常用的頻率測量方法有頻率測量法和周期測量法[7]兩種。頻率測量法是在設(shè)定時間t內(nèi)計數(shù)被測信號的脈沖數(shù)N,，因此被測信號F=N/t,。周期測量法是先測量出被測信號的周期T，然后根據(jù)頻率F=1/T算出被測信號的頻率,。這兩種方法均會產(chǎn)生±1個被測脈沖的誤差,，在實(shí)際應(yīng)用中，頻率測量法適合于高頻信號測量,，而周期測量法適合于低頻信號測量,，二者不能兼顧高低頻率同樣精度的測量要求[8]。
1 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
1.1 裝置組成
本文設(shè)計的光信號檢測裝置如圖2所示,，包括供電模塊,、光轉(zhuǎn)頻模塊、頻率測量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊,。該裝置中,，被測光信號通過硅光電二極管S1226-8BK轉(zhuǎn)成微弱電信號，經(jīng)放大和濾波處理后輸入AD650壓頻轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成頻率信號Fx,。測頻模塊由STM32單片機(jī)及其外圍電路外加一個D觸發(fā)器組成,，利用STM32自帶的通用定時器2（TIM2）配置成脈寬調(diào)制（PWM）輸出模式，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖F0,，通用定時器3（TIM3）對F0進(jìn)行計數(shù),，高級定時器1（TIM1）對待測脈沖Fx進(jìn)行計數(shù),。采用一個D觸發(fā)器做門控開關(guān)，使TIM1和TIM3同時在Fx的某一上升沿開啟,，第Nx個上升沿關(guān)閉,，實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量。經(jīng)運(yùn)算處理后把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示,。整個裝置所需的+3.3 V,、+5 V、±15 V幾路電壓均由電源模塊提供,。
1.2 光轉(zhuǎn)頻模塊
通常,，在對光信號進(jìn)行測量時，一般利用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號,，微弱電信號被放大后通過A/D轉(zhuǎn)換或者壓頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸送至單片機(jī)進(jìn)行處理,。本裝置采用響應(yīng)快、靈敏度高,、性能穩(wěn)定,、測量線性好、噪聲低的日本濱松集團(tuán)生產(chǎn)的硅光電二極管S1226-8BK將光信號轉(zhuǎn)為微弱電流信號,，經(jīng)后續(xù)幾個運(yùn)算放大器處理成穩(wěn)定的直流電壓信號,，最后用壓轉(zhuǎn)頻芯片轉(zhuǎn)為頻率信號。光轉(zhuǎn)頻電路原理圖如圖3所示,，硅光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成微弱電流信號Id,，通過AD795進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)成電壓信號Vout，Vout=IdR1（1+R3/R2）,，采用AD706雙通道運(yùn)算放大器,，一個通道進(jìn)行電壓跟隨以提高帶負(fù)載能力；另一個通道搭接成壓控電壓源二階低通濾波電路,，濾除工頻及其他雜波而得到直流信號,，最后通過AD650進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換得到頻率信號Fx。
光轉(zhuǎn)頻模塊采用的AD795是一款低噪聲,、精密,、FET輸入運(yùn)算放大器。它既具有雙極性輸入運(yùn)算放大器的低電壓噪聲和低失調(diào)漂移,，又具有FET輸入器件的極低偏置電流,。其最大輸入偏置電流僅2 pA，最大失調(diào)電壓為500 μV,。AD706是一款雙通道,、低功耗、雙極性運(yùn)算放大器,，通道1用來實(shí)現(xiàn)電壓跟隨,，通道2用來做二階壓控有源濾波,。AD650工作頻率高，V/F變換工作頻率可達(dá)1 MHz,；其非線性度低，滿度輸出頻率為100 kHz時,，非線性度僅0.005%,。
1.3 頻率測量模塊
本裝置基于STM32的定時器，結(jié)合一個D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量,。STM32F103RBT6芯片具有一個高級定時器（TIM1）和3個通用定時器（TIM2~TIM4）,。在本設(shè)計中，把TIM2配置成PWM輸出模式產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖F0,，其頻率可在0~72 MHz范圍內(nèi)配置,，本檢測裝置配置成1 MHz。把TIM3配置成計數(shù)器模式,，選中觸發(fā)（TRGI）的上升沿作為計數(shù)器時鐘,，即當(dāng)輸入通道引腳上的F0脈沖來一個上升沿計數(shù)值加（或減）1。高級定時器TIM1的配置方法與TIM3類似,，TIM1計數(shù)Fx,。
定時器與D觸發(fā)器連接示意圖如圖4所示，被測信號Fx既是TIM1輸入信號又作為D觸發(fā)器的時鐘信號,，可使閘門開和關(guān)都在Fx的上升沿,，保證了TIM1計數(shù)Fx脈沖數(shù)的精準(zhǔn)性。TIM1的進(jìn)位輸出通過取反后接到D觸發(fā)器的輸入再到定時器的使能端,，使TIM1和TIM3既能同時開啟又能同時關(guān)閉,。整個過程可以這樣來表述：最初，TIM1計數(shù)前,，進(jìn)位輸出Cout為0,，取反變?yōu)?后傳給D觸發(fā)器的輸入端，D觸發(fā)器輸出1使能兩個定時器,，把閘門打開,，TIM1和TIM3開始計數(shù)，待TIM1計滿或計到設(shè)定值時便產(chǎn)生進(jìn)位輸出1（或標(biāo)志位置1）,，取反后變?yōu)?輸給D觸發(fā)器,，此時，D觸發(fā)器輸出0使能兩個定時器,，閘門關(guān)閉,，TIM1和TIM3結(jié)束計數(shù)。讀取此時的兩計數(shù)器寄存器中的計數(shù)值,，按Fx=（Nx×F0）/N0進(jìn)行運(yùn)算便可得出待測頻率值Fx,。
本裝置的測頻軟件流程如圖5所示,。
1.4 數(shù)據(jù)顯示模塊
為了方便，在本裝置中用串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)并直接用串口調(diào)試助手在上位機(jī)串口打印,。在實(shí)際例子或產(chǎn)品中可改為液晶屏或其他方式顯示,。
1.5 電源模塊
本裝置中使用的AD795、AD706以及AD650的供電電源為±15 V,。本裝置利用MAX743芯片將筆記本的USB口+5 V轉(zhuǎn)化成±15 V電壓供電,。原理圖如圖6所示。STM32芯片所需的+3.3 V電壓,，利用一片AMS1117-3.3將USB口+5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V供電,。
2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
2.1 本裝置與示波器測頻結(jié)果對比
利用STM32單片機(jī)上的定時器在1 kHz~26 MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生33個不同頻率的脈沖作為待測信號Fx，用Tektronix TDS1012B-SC示波器和本裝置分別對Fx進(jìn)行測量,，結(jié)果如圖7所示,。圖7表明，本裝置測量值與示波器測量值呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系,，線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)R值為1,，斜率為0.998 9，說明本裝置對頻率信號測得值與示波器測得值相吻合,?？梢姡捎帽狙b置測量1 kHz~26 MHz范圍的頻率信號是準(zhǔn)確的,。
2.2 本裝置對光信號的測量
為了考察本裝置對光信號測量的準(zhǔn)確性,，本研究選用中心波長分別為630 nm、520 nm和390 nm的LED光源提供不同波長的測量光信號,，通過滑動串聯(lián)的變阻器改變接入電路中的阻值改變LED輸出光信號強(qiáng)度,。本研究采用光功率值大小表征光信號強(qiáng)度，LED輸出光功率利用OPT-1A功率指示計測量,。采用本裝置和示波器測定不同光功率下的光輸出信號,，結(jié)果如表1所示。表1表明,，對所測量的3種波長光信號,，示波器和本裝置對光信號的測得值均與光信號呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，且兩者的斜率比非常接近1.0,，說明本裝置用于實(shí)際光信號的測量,，測得的頻率信號可線性地反映光強(qiáng)度大小，且測得值與示波器測得值無顯著差異,。
本文基于STM32等精度測頻原理設(shè)計了一種光信號檢測裝置并進(jìn)行了驗(yàn)證,。該裝置對1 kHz~26 MHz范圍內(nèi)的不同頻率信號進(jìn)行測量，與示波器測得值完全吻合,。本裝置對中心波長為630 nm,、520 nm和390 nm 的LED光源發(fā)出的光信號為測量的結(jié)果與光功率（強(qiáng)度）成很好的線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R>0.99）,。本裝置可對光信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，相對于常用的頻率測量法,，具有測量誤差小的優(yōu)點(diǎn),。本文提出的光信號檢測方法有利于提高便攜式光學(xué)儀器的測量準(zhǔn)確度，在便攜式光學(xué)儀器上具有潛在的應(yīng)用價值,。
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